CN115094754A - 附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索及锚固方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种附加Fe‑SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索及锚固方法，包括CFRP拉索、冷铸锚和Fe‑SMA套管；CFRP拉索包括护套和若干个CFRP筋束；冷铸锚包括从前至后依次连接的透盖、延长筒、连接筒、锚杯和后盖；在锚杯中部设有分丝板，分丝板与连接筒之间的锚杯内腔形成锚固腔，其内浇筑冷铸料；每个CFRP筋束均依次穿过透盖、延长筒、连接筒、锚固腔和分丝板上的对应分丝孔后，形成穿出端；在每个穿出端外周各套设一个Fe‑SMA套管，Fe‑SMA套管与对应CFRP筋束穿出端之间均设有锚固剂。本发明通过在锚杯中填充冷铸料和在CFRP筋上套设Fe‑SMA套管，实现CFRP拉索的复合群锚，提升CFRP拉索群锚的锚固效率。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料拉索锚固技术领域，特别是一种附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索及锚固方法。
背景技术
传统钢制桥梁拉索存在自重大、容易发生腐蚀等问题，当拉索发生应力腐蚀时，其力学性能明显下降，极易产生疲劳脆断。为防止钢制拉索的腐蚀，需定期对其进行检查，维护成本高昂。碳纤维增强复合材料CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)具有轻质高强、无磁性、耐腐蚀、耐疲劳等优良性能，采用CFRP材料制备的拉索可在超大跨桥梁的建设中发挥重要作用。
然而，CFRP是各向异性材料，其横向抗剪强度远低于其纵向抗拉强度，传统钢制拉索的锚固体系并不适用于CFRP拉索。一般锚固CFRP筋的方式为采用钢制套筒加内灌注树脂材料的粘结性锚固方式。但面对桥梁拉索中的成束CFRP筋群锚需求时，传统粘接型锚具体积庞大、变形不均匀、锚固效率低，并不适用；机械型锚具中的楔形锚具虽然锚固效率高，但存在锚具回缩产生的预应力损失，且容易咬伤CFRP筋材。
现有针对成束CFRP筋的锚固方式一般参考平行钢丝索的冷铸锚固方式。但与平行钢丝索不同的是，CFRP筋束在分丝板处无法进行墩头锚固，相比于平行钢丝索的墩头锚固加冷铸料粘结锚固的双重锚固措施，现有CFRP筋群锚的安全系数和锚固效率较低。
由于CFRP筋是弹性材料，无法像钢一样可以产生塑性变形，因此无法进行镦头。CFRP筋相比钢丝具有质量轻、强度高，耐腐蚀性好、抗疲劳性能好的特点。因为质轻高强可解决建设成本高，耐腐蚀性好可避免桥梁拉索的更换，使桥梁周期运营成本低，减少对交通的影响。
现有技术中有尝试在CFRP筋外套设挤压套以增大CFRP筋在冷铸填料中的锚固性能。但是，机械挤压套管的方式对于多筋束的群锚适用性差、效率低，且机械挤压套管不易控制挤压力的大小，易对CFRP筋造成损伤。
铁基形状记忆合金（Iron-based Shape Memory Alloys，Fe-SMA）具有价格相对低廉、回复应力稳定等特性，是一类有望在土木工程领域大规模应用的新型金属材料。事先经过管径扩大处理的Fe-SMA套管，在受热激励后，其管径将回复至未扩大前的状态。利用这一特性，Fe-SMA套管在航空和石油管道连接方面已有成功应用案例，但是Fe-SMA套管在土木工程领域的应用尚不多见。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索及锚固方法，该附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索及锚固方法，通过在锚杯中填充冷铸填料和在CFRP筋上套设Fe-SMA套管，实现CFRP拉索的高效复合群锚，适用于制备高锚固效率的CFRP群锚拉索。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索，包括CFRP拉索、冷铸锚和Fe-SMA套管。
CFRP拉索包括护套和从护套端部穿出的若干个CFRP筋束。
冷铸锚包括从前至后依次连接的透盖、延长筒、连接筒、锚杯和后盖。
在锚杯中部设置有分丝板，分丝板上等距布设有与CFRP筋束数量相等的分丝孔。
分丝板与连接筒之间的锚杯内腔形成为锚固腔，锚固腔内浇筑有冷铸料。
每个CFRP筋束均依次穿过透盖、延长筒、连接筒、锚固腔和分丝板上的对应分丝孔后，形成穿出端。
在每个CFRP筋束的穿出端外周各套设一个所述Fe-SMA套管，Fe-SMA套管与对应CFRP筋束穿出端之间均设置有锚固剂。
锚固腔为从连接筒至分丝板面积逐渐增加的楔形腔。
在锚固腔内CFRP筋束的最大弯折角度小于9度。
位于延长筒和连接筒中的CFRP筋束相互平行，每个CFRP筋束经分丝孔后的穿出端相互平行。
穿出端的长度大于Fe-SMA套管的长度；Fe-SMA套管的长度需根据Fe-SMA套管与穿出端之间的锚固力进行确定，Fe-SMA套管与穿出端之间的锚固力需大于CFRP筋束断裂力的0.45倍以上。
护套为聚乙烯护套，锚固剂为环氧基锚固剂。
一种附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索的锚固方法，包括如下步骤。
步骤1、制作裸露CFRP筋束：将CFRP拉索端部的护套进行剥除，形成裸露的CFRP筋束。
步骤2、安装冷铸锚：在CFRP筋束端部依次套设透盖、延长筒、连接筒和锚杯，并将每个CFRP筋束分别从锚杯中分丝板的分丝孔中穿出，形成穿出端； 接着，将每个CFRP筋束的穿出端均临时进行固定。
步骤3、灌注冷铸料：在锚杯中，分丝板与连接筒之间的锚杯内腔形成为锚固腔，向锚固腔内浇筑冷铸料。
步骤4、套设Fe-SMA套管：在每个CFRP筋束的穿出端外周各套设一个Fe-SMA套管，且Fe-SMA套管均与分丝板表面相贴合。
步骤5、填充锚固剂：在Fe-SMA套管与对应CFRP筋束的穿出端之间均匀填充锚固剂，使得Fe-SMA套管与CFRP筋束穿出端表面接触均匀、提高锚固效率。
步骤6、锚固，具体包括如下步骤：
步骤6A、安装后盖：将后盖安装在锚杯尾端，形成完整的冷铸锚。
步骤6B、固化冷铸料：将完整的冷铸锚放入固化炉进行加热，使得冷铸料完成固化。
步骤6C、Fe-SMA套管收缩：当冷铸锚从固化炉中取出并冷却后，在固化炉中经历了高温热激励的Fe-SMA将发挥其自身的形状记忆效应，Fe-SMA套管将发生径向收缩，从而牢固的、均匀的嵌套在对应CFRP筋束表面，并在分丝板处形成扩大端，起到提升CFRP筋束锚固效率的作用。
步骤6C中，通过控制热激励的温度，控制Fe-SMA套管的回复力，由于Fe-SMA套管在回复过程中为环向均匀收缩，因而不会损伤CFRP筋束。
步骤6B中，固化炉的加热温度为160~200℃。
步骤3中，位于锚固腔内的CFRP筋呈发散状态，且最大发散角小于9度。
本发明具有如下有益效果：
相比于现有技术，本发明具有如下特点和优势：
1、本发明利用了Fe-SMA套管的形状记忆效应，在升温固化冷铸料的同时Fe-SMA套管即可自动均匀、牢固嵌套在CFRP筋的表面。无需机械挤压套筒，避免了因分丝板处CFRP筋间距狭小而无操作空间的难题。
2、Fe-SMA套管在分丝板形成了扩大端，起到了类似机械墩头锚的效果，提升了CFRP筋束的锚固效率。
附图说明
图1显示了本发明附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索的结构示意图。
图2显示了附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索的锚固方法的流程图。
其中有：1-CFRP筋束、2-护套、3-透盖、4-延长筒、5-连接筒、6-预留管道、7-锚下垫板、8-螺母、9-锚杯、10-分丝板、11-冷铸料、12-锚固剂、13-Fe-SMA套管、14-后盖。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索，包括CFRP拉索、冷铸锚和Fe-SMA套管13。
CFRP拉索包括护套2和从护套端部穿出的若干个CFRP筋束1。本实施例中，护套优选为聚乙烯护套。
冷铸锚包括从前至后依次连接的透盖3、延长筒4、连接筒5、锚杯9和后盖14。
在锚杯中部设置有分丝板10，分丝板上等距布设有与CFRP筋束数量相等的分丝孔。
分丝板与连接筒之间的锚杯内腔形成为锚固腔，锚固腔内浇筑有冷铸料11。
每个CFRP筋束均依次穿过透盖、延长筒、连接筒、锚固腔和分丝板上的对应分丝孔后，形成穿出端。
在每个CFRP筋束的穿出端外周各套设一个Fe-SMA套管，Fe-SMA套管与对应CFRP筋束穿出端之间均设置有锚固剂12。本实施例中，锚固剂优选为环氧基锚固剂。
锚固腔优选为从连接筒至分丝板面积逐渐增加的楔形腔。
在锚固腔内CFRP筋束的最大发散角小于9度。CFRP筋束数量可以从1到611，轴向的长度Ｌ随着规格的增加而增加可以从100-2000mm,分丝孔间距d是按照CFRP筋束外层CFRP筋最大发散角小于9度，其分丝孔的排布按CFRP筋束的排布，可计算出d值。
位于延长筒和连接筒中的CFRP筋束相互平行，每个CFRP筋束经分丝孔后的穿出端相互平行。
穿出端的长度大于Fe-SMA套管的长度；Fe-SMA套管的长度需根据Fe-SMA套管与穿出端之间的锚固力进行确定，Fe-SMA套管与穿出端之间的锚固力需大于CFRP筋束断裂力的0.45倍以上。
本发明的图1中预留通道6和锚下垫板7通常是与桥体或建筑体一起制作的或施工安装的，而拉索的制作不与桥体或建筑体一起，安装是就会存在一个先后问题。但后期安装完成后，又需要他们在一起并相互传递外力。因此预留通道就是为后期拉索的安装而预留的通道。桥体或建筑体在外载荷的作用下，通过锚下垫板传递到螺母8上再传递到拉索，最后传递到基础上。
一种附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索的锚固方法，包括如下步骤。
步骤1、制作裸露CFRP筋束：将CFRP拉索端部的护套进行剥除，形成裸露的CFRP筋束。
步骤2、安装冷铸锚：在CFRP筋束端部依次套设透盖、延长筒、连接筒和锚杯，并将每个CFRP筋束分别从锚杯中分丝板的分丝孔中穿出，形成穿出端；接着，将每个CFRP筋束的穿出端均临时进行固定。
步骤3、灌注冷铸料：在锚杯中，分丝板与连接筒之间的锚杯内腔形成为锚固腔，向锚固腔内浇筑冷铸料。
步骤4、套设Fe-SMA套管：在每个CFRP筋束的穿出端外周各套设一个Fe-SMA套管，且Fe-SMA套管均与分丝板表面相贴合。
步骤5、填充锚固剂：在Fe-SMA套管与对应CFRP筋束的穿出端之间均匀填充锚固剂，使得Fe-SMA套管与CFRP筋束穿出端表面接触均匀、提高锚固效率。
步骤6、锚固，具体包括如下步骤：
步骤6A、安装后盖：将后盖安装在锚杯尾端，形成完整的冷铸锚。
步骤6B、固化冷铸料：将完整的冷铸锚放入固化炉进行加热，使得冷铸料完成固化。
步骤6C、Fe-SMA套管收缩：当冷铸锚从固化炉中取出并冷却后，在固化炉中经历了高温热激励的Fe-SMA将发挥其自身的形状记忆效应，Fe-SMA套管将发生径向收缩，从而牢固的、均匀的嵌套在对应CFRP筋束表面，并在分丝板处形成扩大端，起到提升CFRP筋束锚固效率的作用。
上述固化炉的加热温度优选为160~200℃，收缩力一般在200 MPa左右。附加的Fe-SMA套管实际上相当于在筋材表面附加了一个疙瘩，牢固的嵌套在筋材表面，使得CFRP筋在分丝板外形成了一个扩大端，起到类似墩头锚固的作用。另外，由于Fe-SMA套管在回复过程中为环向均匀收缩，因而不会损伤CFRP筋束。
作为替换，为调整或增大Fe-SMA套管与CFRP筋束之间的锚固力，可以预先对Fe-SMA套管施加一个比固化炉加热温度更高的激励温度，然后再放置在恒温的固化炉中，也属于本申请的保护范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索，其特征在于：包括CFRP拉索、冷铸锚和Fe-SMA套管；
CFRP拉索包括护套和从护套端部穿出的若干个CFRP筋束；
冷铸锚包括从前至后依次连接的透盖、延长筒、连接筒、锚杯和后盖；
在锚杯中部设置有分丝板，分丝板上等距布设有与CFRP筋束数量相等的分丝孔；
分丝板与连接筒之间的锚杯内腔形成为锚固腔，锚固腔内浇筑有冷铸料；
每个CFRP筋束均依次穿过透盖、延长筒、连接筒、锚固腔和分丝板上的对应分丝孔后，形成穿出端；
在每个CFRP筋束的穿出端外周各套设一个所述Fe-SMA套管，Fe-SMA套管与对应CFRP筋束穿出端之间均设置有锚固剂。
2.根据权利要求1所述的附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索，其特征在于：锚固腔为从连接筒至分丝板面积逐渐增加的楔形腔。
3.根据权利要求2所述的附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索，其特征在于：在锚固腔内CFRP筋束的最大发散角度小于9度。
4.根据权利要求1所述的附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索，其特征在于：位于延长筒和连接筒中的CFRP筋束相互平行，每个CFRP筋束经分丝孔后的穿出端相互平行。
5.根据权利要求1所述的附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索，其特征在于：穿出端的长度大于Fe-SMA套管的长度；Fe-SMA套管的长度需根据Fe-SMA套管与穿出端之间的锚固力进行确定，Fe-SMA套管与穿出端之间的锚固力需大于CFRP筋束断裂力的0.45倍以上。
6.根据权利要求1所述的附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索，其特征在于：护套为聚乙烯护套，锚固剂为环氧基锚固剂。
7.一种附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索的锚固方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、制作裸露CFRP筋束：将CFRP拉索端部的护套进行剥除，形成裸露的CFRP筋束；
步骤2、安装冷铸锚：在CFRP筋束端部依次套设透盖、延长筒、连接筒和锚杯，并将每个CFRP筋束分别从锚杯中分丝板的分丝孔中穿出，形成穿出端；接着，将每个CFRP筋束的穿出端均临时进行固定；
步骤3、灌注冷铸料：在锚杯中，分丝板与连接筒之间的锚杯内腔形成为锚固腔，向锚固腔内浇筑冷铸料；
步骤4、套设Fe-SMA套管：在每个CFRP筋束的穿出端外周各套设一个Fe-SMA套管，且Fe-SMA套管均与分丝板表面相贴合；
步骤5、填充锚固剂：在Fe-SMA套管与对应CFRP筋束的穿出端之间均匀填充锚固剂，使得Fe-SMA套管与CFRP筋束穿出端表面接触均匀、提高锚固效率；
步骤6、锚固，具体包括如下步骤：
步骤6A、安装后盖：将后盖安装在锚杯尾端，形成完整的冷铸锚；
步骤6B、固化冷铸料：将完整的冷铸锚放入固化炉进行加热，使得冷铸料完成固化；
步骤6C、Fe-SMA套管收缩：当冷铸锚从固化炉中取出并冷却后，在固化炉中经历了高温热激励的Fe-SMA将发挥其自身的形状记忆效应，Fe-SMA套管将发生径向收缩，从而牢固的、均匀的嵌套在对应CFRP筋束表面，并在分丝板处形成扩大端，起到提升CFRP筋束锚固效率的作用。
8.根据权利要求7所述的附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索的锚固方法，其特征在于：步骤6C中，通过控制热激励的温度，控制Fe-SMA套管的回复力，由于Fe-SMA套管在回复过程中为环向均匀收缩，因而不会损伤CFRP筋束。
9.根据权利要求7所述的附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索的锚固方法，其特征在于：步骤6B中，固化炉的加热温度为160~200℃。
10.根据权利要求7所述的附加Fe-SMA套管的CFRP冷铸群锚拉索的锚固方法，其特征在于：步骤3中，位于锚固腔内的CFRP筋呈发散状态，且最大发散角小于9度。
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